大型分段式风电叶片刚度及模态有限元分析.pdf

　３４　大型分段式风电叶片刚度及模态有限元分析　　２０１６年１２月　　大型分段式风电叶片刚度及模态有限元分析　　　　　　　　秦超，侯彬彬，陈康，刘奇星　　　（１．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都６１００３６；２．株洲时代新材料科技股份有限公司，株洲　４１２０００）　　　　　摘要：以某５４ｍ分段风电叶片为研究对象，建立了分段叶片有限元模型，对分段叶片进行了刚度计算和模态分析，并分　别与原始叶片对比。分析结果表明：四种极限工况下，分段叶片刚度与原始叶片基本一致；分段叶片前两阶振型与原始叶片一　　　致，且前两阶固有频率基本吻合；叶片分段未对叶片振动性能带来很大影响，验证了此分段叶片结构刚度和振动性能的合　　　理性。　关键词：有限元法；刚度；振型；固有频率；分段叶片　　　　——　中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＫ８３文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１６）１２００３４０４　　　１前言　　　　　随着能源和环境问题的日益突出，风能作为一　　　　　种清洁能源和可再生能源，近些年得到迅速发展。　　风电机组单机装机容量增加，风电叶片长度越来越　　长，且叶片的装机地点一般处于比较偏远的山区，长　　　　叶片的运输存在很大的困难，因此将风电叶片在生　　　产基地分段制造、分段运输，到达装机地点再进行组　　装，是一种有效的解决方法。　大型分段风电叶片的结构设计既要满足刚度设…　计要求，保证叶片变形满足塔间距的要求，又要保　证叶片振动频率在一定范围内，避免与主机传动链　发生共振。分段叶片连接处结构复杂，理论解析方　法很难精确预测分段叶片结构的强度、刚度及动态　　　性能，有限元仿真可对叶片本身和连接关系详细建　　　　　　模，是一种有效的结构强度、刚度和动态性能分析　　　手段。　　　　　　　本文基于设计的某５４ｍ分段叶片，用ＣＡＴＩＡ　　　　软件建立了分段叶片的三维模型，用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软　　　　件进行网格划分，最后利用有限元分析软件Ａｂａｑｕｓ　　　计算了四种极限工况下分段叶片的变形，分析了分　　　段叶片的振型、固有频率等结构固有特性，并与原始　　　叶片计算结果对比分析，验证此分段叶片刚度及动　　态性能设计的合理性。　　　　　　叶片，总长约为５４ｍ，分段位置距叶片根部约２０ｍ。　　　　叶片母体材料以Ｅ玻纤／环氧为主，辅以ＰＶＣ、Ｂａｌｓａ　木等材料组成。为了提高分段处螺栓连接位置叶片　　　　的强度，采用多层三轴玻纤铺层，对分段处局部叶片　　　　纤维加强。分段的叶片由中间连接结构进行连接，　是否合理选择中间连接结构形式可对分段叶片设计　　　　成败起到决定性的作用，对专利中提出的分段叶片　　连接形式进行调研，选取了专利《一种分段式风轮叶　片及其连接机构以及安装方法》（ＣＮ１０２６０６４１９）中　　　　　提出的方案，该专利提出的连接方案连接强度较高，　　　安装简单方便，具体的连接机构由多个连接工装拼　　　　　接而成，其中叶片迎风面和背风面各有ｌ２个连接　　　工装，连接工装设有螺母容置凹槽或通孔，每个连接　　　工装通过四个Ｍ３０螺栓将两端叶片连接在一起，螺　　栓等级为１０．９级。详细的分段叶片连接机构示意　　图如图１所示。　　叶片　　２分段叶片结构形式　　　图分段叶片连接模型示意图　　　此分段叶片母体为应用在某款２．５ＭＷ机型的　　——　收稿日期：２０１６０８１９　　　　本文作者还有卜继玲和高康。　　　　　　　作者简介：秦超（１９９１一），男，硕士，主要从事机车车辆系统动力学及风电叶片结构设计与开发相关方面的研究。　　　　　　　通讯作者：侯彬彬（１９８２一），男，博士，高级工程师，主要从事复合材料风电叶片方面的研究。　　螺栓　连接工装　　　２０１６年第ｌ２期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　３５　　　　３分段叶片有限元模型建立　　３．１材料属性　　叶片所用的复合材料包括三轴向玻璃布、双轴　　　　向玻璃布、单轴向玻璃布、ＰＶＣ泡沫、Ｂａｌｓａ木、毡等。　　　玻璃钢复合材料与泡沫材料的主要力学性能如表　　　　　１、表２所示，其中，Ｅ为材料的纤维方向，玻璃钢复　　　　　合材料的密度取Ｐ：１８８８ｋｇ／ｍ，Ｂａｌｓａ木密度取Ｐ＝　　　　　　　１５０ｋｇ／ｍ，ＰＶＣ密度取Ｐ＝８０ｋｅ／ｍ。连接工装　　　　　　采用普通碳素结构钢Ｑ２３５材料，密度取ｐ＝７８００　　　　　　ｋｇ／ｍ，弹性模量Ｅ：２１００００ＭＰａ，泊松比＝０．３，连　　　接螺栓的弹性模量Ｅ＝２１００００ＭＰａ，泊松比肛：０．３。　　　　　　　表１玻璃钢复合材料力学性能／ＭＰａ　　名称　　符号　模量值　　　　３．２网格划分　为了更加精确地模拟分段处叶片和连接工装之　间的连接关系，预埋螺栓处的叶片采用实体单元来　　　模拟，基于ＳＵＮ等提出的复合材料厚板结构有效弹　　　性常数等效方法Ｊ，对分段处局部预埋螺栓叶片铺　　层材料进行等效模拟，由于分段处局部叶片参考叶　　　根处叶片铺层进行设计，有一定的周期性，因此可将　分段处局部叶片等效为由单一材料构成，即将分段　处局部叶片复合纤维材料铺层等效为正交各向异性　　　材料，具体的将分段处的局部叶片划分为实体六面　　　体单元，并将其赋予三轴玻纤布材料属性，将中间连　　接工装及螺栓划分为实体单元，实体单元类型均为　Ｃ３Ｄ８Ｒ，这种单元的特点是对位移计算结果较精确，　　　　　采用缩减积分方式，对剪切自锁以及沙漏问题不敏　　　　感，同时计算时间相对较短，实体单元数目为４３３６８５　　　个。为了减少网格数目，提高计算效率，将远离连接　　　　　　部分的叶片划分为壳单元，单元类型为Ｓ４Ｒ。Ｓ４Ｒ　　是一种通用的壳单元类型，适应性很好，可以用于薄　　　壳问题的模拟，采用缩减积分方式，包含沙漏模式控　　　　　制，壳单元数目为１１８８６３个。实体单元和壳单元之　　　　间用壳．实体耦合连接。分段处局部叶片和整体叶　　　片有限元网格模型如图２、图３所示。　　　图２叶片分段处局部有限元模型　　　图３整体分段叶片有限元模型　　３．３边界条件及载荷施加　　　叶片根部与轮毂连接，因此用叶片常用的约束　　　形式将叶片整体简化为悬臂梁的形式进行约束，分　　　　　析时，不考虑叶根变形，将其固定，即叶片叶根位置　　节点的六个自由度全部约束。　　计算载荷来自风电行业中常用的风载荷计算软　—　　　件ＧＨｂｌａｄｅｄ，包括ＩＥＣ标准中定义的最大挥舞、最　　　　　　小挥舞、最大摆振、最小摆振四种极限工况下的载　　　　荷，其中最小挥舞工况方向定义为垂直于弦向方向　　　　从压力面到吸力面，最大挥舞工况方向定义为垂直　　　　　于弦向方向从吸力面到压力面，最大摆振工况方向　　　　定义为沿着弦向方向从后缘到前缘，最小摆振工况　　方向定义为沿着弦向方向从前缘到后缘。载荷形式　　为等效集中载荷，四种极限工况中，等效集中载荷值　　　见表３，加载方向示意图如图４所示。　　表３四个极限工况中等效集中载荷及位置　极限载荷　　　　加载位置／ｍ最小挥舞／ｋＮ最大挥￣－／ｋＮ最小摆振／ｋＮ最大摆振／ｋＮ’　ｌ　１：２　／．３　＿４　（ａ）挥舞工况加载示意图　　　ＦＲＰ／ＣＭ２０１６．Ｎｏ．１２　大型分段式风电叶片刚度及模态有限元分析　　２０１６年ｌ２月　（ｂ）摆振工况加载示意图　　　　图４叶片加载示意图　　４叶片刚度变形及模态分析　　４．１叶片静刚度计算分析　　　　　　分别计算四种极限工况下分段叶片的叶片挠　　　　　　度，并与原始叶片对比。其中，最小挥舞工况中，叶　　片载荷与变形最大，计算得到分段叶片和原始叶片　　　　　的叶片挠度变形云图如图５所示，叶片３个不同位　　　　置挠度对比见表４。四种极限工况下，分段叶片与　　　原始叶片的叶尖挠度对比见表５。　　ＵＭａｇｒ￣ｔｕｄｅ　原始叶片＋Ｉ　＋１３ｌ４ｅ７ｅ＋瞄　０４卜＋拍＋９．８６　　ｔ４￣＋０３　姜　　　　　Ｍａｘ：１ｊ，ｅ■　　＿＿　　　　Ｎｏｄｅ：队Ｒ１ｔ－２一Ｉ９０１４４０　Ｕ，Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　　分段叶片　ｌ＿［：：：　卜－｝　０８ｅ４０３＋４　　＋６．８１ｅ＋０３…２７ｅ＋０３一　　Ｍａｘ：十Ｉ＂￣＋ｌＪｌＪｑｐ　’　　Ｎｏｄｅ：ＰＡＲ１．２－ｌ９０１４４０　　　　　　　Ｍ土阳删　／　　　Ｍ；　０４　　／　　　图５最小挥舞极限工况叶尖挠度对比图　　表４最小挥舞工况不同位置叶片挠度　　　　通过对比分析，最小挥舞工况中在３个不同位　　　　置，分段叶片比原始叶片截面变形均略小。在四种　　　ＦＲＰ／ＣＭ２０１６．Ｎｏ．１２　　　　　极限工况中，分段叶片的叶尖挠度均比原始叶片略　　　小，分段叶片整体刚度变化不大，与原始叶片刚度吻　　　　　　　　合较好，并且两种叶片四种极限工况下叶尖挠度　　　　均满足小于塔尖距的要求，分段叶片刚度符合设计　要求。　　　　４．２叶片模态分析　　风轮旋转过程中，叶片低阶振动振型主要为挥　　　舞、摆振和扭转振动。由于风电叶片转速较低，在　　　　振动过程中振动的能量主要集中在第一、二阶，因　　　　此分别提取了分段叶片和原始叶片前两阶主振型，　　　　如图６所示，前两阶固有频率见表６。—－一　、．．、‘　／　　＼　（ａ）叶片第一阶振型图　（ｂ）叶片第二阶振型图　　　　　图６叶片前二阶振型图　　表６叶片前两阶固有频率对比　　＼　　从分析结果来看，分段叶片与原始叶片的第一　　　阶振型均为挥舞振动，第二阶振型均为摆振振型，分　　　段叶片与原始叶片第一、二阶振型一致，并且前两阶　　　固有频率吻合较好，说明叶片分段后对叶片振动性　能改变较小。　　２０１６年第１２期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　３７　　　５结论　　　　　本文建立某分段叶片有限元模型，计算了四种　　　极限工况下的叶片挠度，分析了前两阶振型，计算了　　　　前两阶固有频率。结果表明，分段叶片与原始叶片　　　　叶尖挠度相近，叶片分段后刚度变化不大。分段叶　片与原始叶片前两阶振型一致，且前两阶固有频率　基本吻合，说明该分段叶片设计对原始叶片振动性　　　　能改变较小，验证了分段叶片刚度及动态性能设计　　的合理性，为分段叶片后续研发提供了参考。　参考文献　　　　　［１］靳交通，刘力根，邓航，等．基于有限差分法和有限元法的大型　　　—　风电叶片刚度计算［Ｊ］．机械设计与研究，２０１２，２８（６）：８３８５．　　　［２］赵娜，李军向，李成良．基于ＡＮＳＹＳ建模的风力机叶片模态分　　　　　—　析及稳定性分析ｆＪ］．玻璃钢／复合材料，２０１０（６）：１４１６．　　　［３］国电联合动力技术有限公司，一种分段式风轮叶片及其连接机　　构以及安装方法：ＣＮ１０２６０６４１９Ａ［Ｐ］．２０１２・０７－２５．　　　　　　［４］靳交通，梁鹏程，曾竟成，等．复合材料风电叶片有限元刚度分—　析［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００９，３５（２１）：１３３１３６．　　　—　　　　［５］ＳＵＮＣＴ，ＬＩＳｉｊｉａｎ．ＴｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＥｆｆｅｃｔｉｖｅＥｌａｓｔｉｃＣｏｎｓｔａｎｔｓ　　　ｆｏｒＴｈｉｃｋＬａｍｉｎａｔｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａ　ｌ，１９８８，２２（７）：　６２９．６３９．　　　　　　　　　　［６］ＳＵＮＣＴ，ＬＩＡＯＷＣ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｈｉｃｋＳｅｃｔｉｏｎＣｏｍｐｏｓｉｔｅＬａ・ｍｉ－　　　　　ｎａｔｅｓＵｓｉｎｇＥｆｆｅｃｔｉｖｅＭｏｄｕｌｅ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌ，１９９０，２４　（９）：９７７－９９３．　　　　　［７］潘燕环，徐加初，王瑶．风力发电机叶片根部的有限元建模研究—　［Ｊ］．中北大学学报：自然科学版，２０１０，３１（４）：４２９４３２．　［８］区加隽，李学敏，徐林．水平轴风力机叶片的截面与动力特性分　—　析［Ｊ］．可再生能源，２０１６，３４（５）：６８１６８６．　［９］陈广华．风力发电机组组合式叶片结构设计研究［Ｄ］．保定：华　　　北电力大学博士学位论文，２０１３．　　　　　　　　　　　　　　　　ＬＡＲＧＥＳＥＣＴＩｏＡＬＴＹＰＥＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＦＩＮＩＩＩＥＥＬＥＭＴＭＯＤＥＬＩＮＧ　Ⅱ　　　　　　ＡＮＤＳＴＦＮＥＳＳＡＮＤＭｏＤＡＬＡＮＡＬＹＳＩＳ　　　　　　　　　　ＱＩＮＣｈａｏ，ＨＯＵＢｉｎ．ｂｉｎ，ＣＨＥＮＫａｎｇ，ＬＩＵＱｉ．ｘｉｎｇ　　　　　　　　　　（１．ＴｒａｃｔｉｏｎＰｏｗｅｒＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　　２．ＺｈｕｚｈｏｕＴｉｍｅｓＮｅｗＭａｔｅｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２０００，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆａ５４ｍｓｅｇｍｅｎｔｅｄｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｅｄｂｌａｄｅｓ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｆｏｕｒ　　　　　　　　　　　　　　　ｌｉｍｉｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｅｄｂｌａｄｅｓｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｂｌａｄｅａｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｔｈｅｓａｍｅ：Ｓｅｇｍｅｎｔｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｗｉｔｈｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｌｅａｆｂｌａｄｅｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｔｗｏｍｏｄｅｓａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．Ｂｌａｄｅｓｅｇ　　　　　　　　　　　　　　　　ｍｅｎｔｓｏｆｂｌａｄｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｈａｖｅａｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔ，ｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｅｄｂｌａｄｅｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　　　　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｓｅｇｍｅｎｔｅｄｂｌａｄｅｓ